一种大型斜式轴流泵站过渡过程协同控制方法技术

本发明专利技术公开了一种大型斜式轴流泵站过渡过程协同控制方法。本发明专利技术通过建立大型斜式泵站的高精度数值计算网格模型，可以基于叶轮和闸门的协同控制得出了斜式轴流泵站的停机过渡过程的性能特点，同时基于三维数值计算可以分析不同叶轮和闸门协同控制方案对斜式轴流泵站停机过渡过程性能的影响，进而能够更好地实现叶轮和闸门协同控制方案的筛选，保证斜式轴流泵站停机过渡过程中泵的结构安全，提高泵的寿命。的寿命。的寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种大型斜式轴流泵站过渡过程协同控制方法


[0001]本专利技术属于泵站优化
，具体涉及一种大型斜式轴流泵站过渡过程协同控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，全球变暖导致极端天气显著增加。城市下水道系统排水能力不足，水位迅速上升，往往使城市面临洪水和内涝的风险。为了快速缓解洪涝灾害，大城市广泛建设大型泵站。在城市排水泵站中，轴流泵因其结构相对简单，在低水头区段性能良好而得到了广泛的应用。在立式轴流泵、卧式轴流泵和斜式轴流泵中，斜式轴流泵因其结构简单、紧凑，具有建造成本低、维修方便、运行性能优越等优点，具有广阔的应用前景，越来越多地被城市排水泵站所采用。斜式轴流泵的倾斜结构会导致一些特定的运动特性，影响泵的安全性，但目前有关斜式轴流泵的研究忽略了这一点。泵的过渡过程，如开机、关机和流量调整，会使泵系统在运行过程中伴随着最大的不稳定性，所以过渡过程对泵来说是非常重要的。如果处理不当，可能会出现严重的振动、噪声、空化现象，导致泵和管道系统损坏，最终导致泵站故障。此外近年来极端天气的激增也给水泵的过渡过程带来了更多的不确定性。因此，应特别重视大型泵站的过渡过程的安全性。
[0003]在斜式轴流泵的所有过渡过程中，停机过渡过程由于叶轮不受电机控制只受水力作用，在较大反向水流的作用下容易出现反转，所以停机过渡过程需要特别关注。闸门是轴流式泵站非常重要的部件，其在启动和停机的过程中通过控制升降速度来控制流量的大小，合适的闸门速度控制可以保证泵站过渡过程的安全性。如果设计不当，闸门将遭受巨大的冲击和脉动，导致闸门和壁面之间的摩擦和磨损，降低闸门的使用寿命。因此，研究叶轮和闸门的协同控制方案对泵站性能的影响，是非常有必要的。
[0004]过渡过程的研究方法包括试验方法和数值计算方法。与试验方法相比，大型机组的数值计算方法可以避免试验造成的机组损伤，正在被越来越多的采用。数值计算又包括一维计算和三维计算。一维计算速度很快，但是一维计算的可信度不如三维计算。随着计算机技术的发展，利用CFD进行大型泵站机组的三维精确计算成为了可能。近十年来，国内外基于CFD方法开展了一系列大型泵站过渡过程的研究。然而，在这些研究中，没有提及带有闸门运动下的斜式轴流泵停机过渡过程研究，这使得对斜式轴流泵的过渡过程特性分析缺乏参考。同时，以往的三维研究忽略了不同叶轮和闸门协同控制方案的影响，无法为泵站机组提供合理的叶轮和闸门调节参考。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种大型斜式轴流泵站过渡过程协同控制方法。
[0006]本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0007]一种大型斜式轴流泵站过渡过程协同控制方法，其包括：
[0008]S1、从斜式轴流泵站的三维模型中抽取泵站的水体模型作为计算域，对计算域进行网格划分；
[0009]S2、在斜式轴流泵站在闸门的关闭速度控制范围内抽样多个闸门关闭速度值，从而对应得到多套停机过程叶轮和闸门的协同控制方案；每一套协同控制方案中，闸门从全开状态开始按照对应采样的闸门关闭速度值执行下降关闭，叶轮在闸门开始下降关闭时停止动力输出；
[0010]S3、依次将S2中的每一套协同控制方案作为目标协同控制方案，在流体仿真软件中分别进行数值模拟，得到每一套协同控制方案各自对应的模拟数据；其中对于目标协同控制方案进行数值模拟过程如下：
[0011]首先，在流体仿真软件中，按照水体模型中上下游水池的水头情况设定用于确定进出口压力梯度边界条件的第一UDF程序，根据叶轮的力矩平衡方程设定在每一个时间步中计算叶轮转速的第二UDF程序，根据目标协同控制方案中的闸门关闭速度值设定瞬态模拟过程中通过闸门下降速度控制函数计算闸门开度的第三UDF程序；
[0012]然后，在流体仿真软件中设定计算域中需要实时监测斜式轴流泵的特性参数，其中特性参数包括：叶轮的轴向力、两个径向方向上力、轴向扭矩和两个径向方向上的扭矩，以及叶轮前、叶轮和导叶中间、导叶后三个位置点的压力脉动信号，以及叶轮的转速和泵出口处的流量；
[0013]最后，在设定好监测的特性参数基础上，在闸门全开且叶轮转速不变状态下先对泵不断进行稳态计算，直至计算到特性参数趋于稳定后再开始加载第一UDF程序、第二UDF程序和第三UDF程序进行开始模拟停机过渡过程，停机过渡过程开始模拟时泵叶轮只受水力作用，同时闸门开始按照设定闸门关闭速度值匀速下降，闸门下降过程中根据预先设置的时间步长和总计算时间对整个计算域开始逐步长进行瞬态数值计算，其中闸门的关闭模拟通过动网格技术实现，叶轮的运动模拟通过多重参考系(MRF)实现；计算完所有时间步长后得到整个停机过渡过程中所述特性参数的时序数据；
[0014]S4、对于所有协同控制方案，从每一套协同控制方案对应的所述时序数据中提取叶轮在三个方向上的力以及扭矩，以此对斜式轴流泵进行力学特性分析，选择满足预设力学特性标准的协同控制方案作为备选协同控制方案，剔除不满足预设力学特性标准的协同控制方案；
[0015]S5、对于所述备选协同控制方案，从每一套协同控制方案对应的所述时序数据中提取叶轮前、叶轮和导叶中间、导叶后三个位置点的压力脉动信号，对压力脉动信号的时间序列数据进行短时傅里叶变换(STFT)处理，以此对斜式轴流泵进行停机过渡过程中泵内压力脉动情况分析，选择满足预设泵内压力脉动标准的备选协同控制方案作为最终协同控制方案，用于对大型斜式轴流泵站过渡过程中的叶轮和闸门进行协同控制。
[0016]作为优选，所述S1中，利用UG软件从斜式轴流泵站的三维模型中抽取泵站的水体模型，从而建立泵站的数值计算网格模型。
[0017]作为优选，所述S1中，利用ICEM网格划分软件将整个计算域划分六面体结构化网格
[0018]作为优选，所述S2中，通过均匀抽样的方式在所述关闭速度控制范围内抽样多个闸门关闭速度值。
[0019]进一步的，所述S2中，闸门关闭速度值的抽样数量为5～10个。
[0020]作为优选，所述流体仿真软件为Fluent流体仿真软件。
[0021]作为优选，所述S3中，所有协同控制方案在进行数值模拟过程中采用的第一UDF程序和第二UDF程序相同，第三UDF程序不同。
[0022]作为优选，所述预设力学特性标准包括轴向力标准和径向扭矩标准；所述轴向力标准为叶轮的轴向力时域曲线中反向轴向力峰值不超过重力在轴向的分力，或者反向轴向力峰值超过重力在轴向的分力的量低于第一阈值；所述径向扭矩标准为叶轮的水平径向扭矩时域曲线中脉动段的峰值平均值不超过第二阈值。
[0023]作为优选，所述预设泵内压力脉动标准为：对于叶轮和导叶中间的位置点的压力脉动信号，从其短时傅里叶变换(STFT)处理结果中提取到的压力脉动最大强度不超过第三阈值。
[0024]作为优选，所述的第一阈值、第二阈值和第三阈值通过斜式轴流泵站的实际工况试验确定最优值。
[0025]本专利技术相对于现有技术而言，具有以下有益效果：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大型斜式轴流泵站过渡过程协同控制方法，其特征在于，包括：S1、从斜式轴流泵站的三维模型中抽取泵站的水体模型作为计算域，对计算域进行网格划分；S2、在斜式轴流泵站在闸门的关闭速度控制范围内抽样多个闸门关闭速度值，从而对应得到多套停机过程叶轮和闸门的协同控制方案；每一套协同控制方案中，闸门从全开状态开始按照对应采样的闸门关闭速度值执行下降关闭，叶轮在闸门开始下降关闭时停止动力输出；S3、依次将S2中的每一套协同控制方案作为目标协同控制方案，在流体仿真软件中分别进行数值模拟，得到每一套协同控制方案各自对应的模拟数据；其中对于目标协同控制方案进行数值模拟过程如下：首先，在流体仿真软件中，按照水体模型中上下游水池的水头情况设定用于确定进出口压力梯度边界条件的第一UDF程序，根据叶轮的力矩平衡方程设定在每一个时间步中计算叶轮转速的第二UDF程序，根据目标协同控制方案中的闸门关闭速度值设定瞬态模拟过程中通过闸门下降速度控制函数计算闸门开度的第三UDF程序；然后，在流体仿真软件中设定计算域中需要实时监测斜式轴流泵的特性参数，其中特性参数包括：叶轮的轴向力、两个径向方向上力、轴向扭矩和两个径向方向上的扭矩，以及叶轮前、叶轮和导叶中间、导叶后三个位置点的压力脉动信号，以及叶轮的转速和泵出口处的流量；最后，在设定好监测的特性参数基础上，在闸门全开且叶轮转速不变状态下先对泵不断进行稳态计算，直至计算到特性参数趋于稳定后再开始加载第一UDF程序、第二UDF程序和第三UDF程序进行开始模拟停机过渡过程，停机过渡过程开始模拟时泵叶轮只受水力作用，同时闸门开始按照设定闸门关闭速度值匀速下降，闸门下降过程中根据预先设置的时间步长和总计算时间对整个计算域开始逐步长进行瞬态数值计算，其中闸门的关闭模拟通过动网格技术实现，叶轮的运动模拟通过多重参考系(MRF)实现；计算完所有时间步长后得到整个停机过渡过程中所述特性参数的时序数据；S4、对于所有协同控制方案，从每一套协同控制方案对应的所述时序数据中提取叶轮在三个方向上的力以及扭矩，以此对斜式轴流泵进行力学特性分析，选择满足预设力学特性标准的协同控制方案作为备选协同控制方案，剔除不满足预设力学特性标准的协同控制方案；S5、对于所述备选协同控制方案，从每一套协同控制方案对应的所述时序...

【专利技术属性】
技术研发人员：童哲铭，杨忠琴，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：